WO2007029493A1

WO2007029493A1 - 冷凍サイクル及び圧縮補助装置

Info

Publication number: WO2007029493A1
Application number: PCT/JP2006/316459
Authority: WO
Inventors: Hisatoshi Hirota
Original assignee: Tgk Co., Ltd.
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2007-03-15
Also published as: JP2007071430A; DE112006002152T5

Abstract

　冷凍サイクルにおける圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図る。　本発明の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ（６）において、ガスクーラ（２）から送出された冷媒によりタービン（２１）を回転させてポンプ（２２）を回転させる駆動力を発生させ、蒸発器（４）から導入された冷媒をそのポンプ（２２）によって圧縮する。このため、ポンプ（２２）の回転によって圧縮機（１）に向けて送出する冷媒の圧力、つまり圧縮機（１）の吸入圧力を高めることができる。その結果、圧縮機（１）の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。

Description

明細書

冷凍サイクル及び圧縮補助装置

技術分野

[0001] 本発明は空調装置に適用される冷凍サイクル、及びその冷凍サイクルを構成する圧縮補助装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、自動車用空調装置等の冷凍サイクルの冷媒にはフロンが使用されてきたが、オゾン層破壊の問題があるため、近年では、その代替冷媒として例えば二酸ィ匕炭素（CO )等を用いた冷凍サイクルが開発されて、る。

2

[0003] しかし、二酸化炭素等を使った冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるため、圧縮機で必要とされる動力が大きい。このため、従来の冷凍サイタルでこれを実現しょうとすると、多大なエネルギーが必要になる。

[0004] そこで、省エネルギー化の観点から、従来膨張装置で無駄に捨てられて!/、た膨張エネルギーを有効利用する技術として、例えばェジェクタを用いて構成したェジエタタサイクルが提案されて、る (例えば特許文献 1参照)。

[0005] このェジェクタサイクルは、圧縮機と、放熱器と、ェジェクタと、気液分離器とを直列に接続し、気液分離器のガス出口を圧縮機の吸入口に接続し、気液分離器の液出口を蒸発器を介してェジェクタの吸入口に接続するようにして構成される。

[0006] ェジェクタは、先端に噴出口を有するノズル、その外周から噴出口の下流方向に連なって筒状に形成された混合部、及びその混合部から末広がりに形成されたディフユーザによって構成されている。ノズルは、放熱器にて冷却された冷媒を蒸発圧力以下に減圧して先端より低圧のジェット流で噴出させ、減圧によって生じる差圧で蒸発器からのガス冷媒を吸引する。混合部では、吸引されたガス冷媒とノズルカゝらのジェット流とが混合され、ディフューザでは、面積が拡大されることにより混合された冷媒は減速されて昇圧される。すなわち、ェジヱクタで冷媒が昇圧されることによって圧縮機の吸入圧力が上昇するため、その分、圧縮機が所定の圧力まで圧縮するための動力を低減することができるのである。 [0007] し力しながら、このようなェジェクタは、ノズル、混合部、ディフューザとつながる形状が非常に複雑であるためにその加工が難しぐ製造コストが嵩むといった問題がある一方、圧縮機の上流側に膨張側で得られた動力を効率よく圧縮機側へ伝達する補助圧縮機を設けた冷凍サイクルも提案されて!ヽる (例えば特許文献 2参照)。

[0008] この補助圧縮機は、ハウジング及び主軸を膨張機と共用しており、そのハウジング内に配置された斜板及びこれに接続されたピストンにより膨張機と仕切られている。膨張機側の主軸の端部には回転弁が設けられており、放熱器からの高圧冷媒がこの回転弁を介して膨張室に導入され、そこで膨張が完了した低圧冷媒が回転弁を介して蒸発器側へ導出される。この冷媒の導入出による膨張機の回収動力によって主軸に回転力が付与され、ピストンの往復動作によって補助圧縮機側では冷媒の圧縮がなされ、膨張機側では冷媒の膨張がなされる。このように、補助圧縮機で冷媒が昇圧されることによって主圧縮機の吸入圧力が上昇するため、その分、主圧縮機が所定の圧力まで圧縮するための動力を低減することができる。

特許文献 1：特許第 3322263号公報 (段落〔0091〕〜〔0096〕 )

特許文献 2：特開 2000— 46429号公報 (段落〔0038〕 , 〔0039〕 )

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] し力しながら、特許文献 2に記載の冷凍サイクルでは、放熱器から導入された冷媒によって主軸の回転動力を生成するため、その冷媒を漏らさないようにハウジング内を気密に保持しなければならない。そのため、ハウジングの全外周にわたってシールを施さなければならず、上述したェジェクタよりもむしろコストが嵩んでしまうといった問題がある。

[0010] 本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、低コストに実現でき、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる冷凍サイクルを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0011] 本発明では上記問題を解決するために、空調装置を構成する冷凍サイクルにおヽて、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、導入された冷媒を気液分離して溜めておき、そのガス冷媒を前記圧縮機に向けて送出するアキュムレータと、前記アキュムレータに溜められた液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記アキュムレータの中に配置され、前記放熱器から導入された冷媒により回転されてその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するタービンと、前記タービンとともに回転して前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮してその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するポンプとを有するタービン 'ポンプと、を備えたことを特徴とする冷凍サイクルが提供される。

[0012] このような冷凍サイクルにおいては、そのシステムにおいて通常用いられるアキュムレータ内にタービン ·ポンプが配置されるため、冷媒の外部漏れを防止するための特別なシールを施す必要がなぐ低コストに実現することができる。

[0013] そして、放熱器力も導入された冷媒によりタービンを回転させてポンプを回転させる駆動力を発生させ、蒸発器から導入された冷媒をそのポンプによって圧縮する。このため、ポンプの回転によって圧縮機に向けて送出する冷媒の圧力、つまり圧縮機の吸入圧力を高めることができる。その結果、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。

[0014] また、本発明では、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、導入された冷媒を気液分離して溜めておき、そのガス冷媒を前記圧縮機に向けて送出するアキュムレータと、前記アキュムレータに溜められた液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルに用いられる圧縮補助装置であって、前記アキュムレータと前記膨張装置とを一体に組み付けて構成され、前記アキュムレータの内部に、前記放熱器力導入された冷媒により回転されてその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するタービンと、前記タービンとともに回転して前記蒸発器力導入された冷媒を圧縮してその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するポンプとを有するタービン ·ポンプが設けられたこと、を特徴とする圧縮補助装置が提供される。

[0015] このような圧縮補助装置においては、アキュムレータ内にタービン 'ポンプが配置されるため、冷媒の外部漏れを防止するための特別なシールを施す必要がなぐ低コストに実現することができる。また、膨張装置が一体に組み付けられているため、冷凍サイクルに適用した場合に配管数が減り、その省スペース化を図ることができる。

[0016] さらに、冷凍サイクルに適用した場合には、放熱器カゝら導入された冷媒によりタービンを回転させてポンプを回転させる駆動力を発生させ、蒸発器から導入された冷媒をそのポンプによって圧縮する。このため、圧縮機の吸入圧力を高めることができ、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。

発明の効果

[0017] 本発明の冷凍サイクルによれば、アキュムレータの内部に、圧縮機の吸入圧力を高めるためのタービン 'ポンプを設けたため、低コストに実現でき、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。

[0018] また、本発明の圧縮補助装置によれば、アキュムレータの内部に圧縮機の吸入圧力を高めるためのタービン 'ポンプを設けたため、冷凍サイクルに適用した場合に、これを低コストに実現でき、圧縮機の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。

[0019] 本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ま U、実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]第 1の実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。

[図 2]圧縮補助装置の構成を表す断面図である。

[図 3]タービン ·ポンプの構成を表す断面図である。

[図 4]図 3の A— A矢視断面図である。

[図 5]図 3の B— B矢視断面図である。

[図 6]タービンの動作を表す断面図である。

[図 7]ポンプの動作を表す断面図である。

[図 8]流量制御弁 7の構成を表す断面図である。

[図 9]膨張装置 8の構成を表す断面図である。

[図 10]冷凍サイクルの特性を表すモリエル線図である。 [図 11]第 2の実施の形態に係る圧縮補助装置の構成を表す断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0021] 以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

[第 1の実施の形態]

本実施の形態は、本発明の冷凍サイクルを自動車用空調装置に適用したものであり、二酸ィ匕炭素を冷媒として用いる超臨界冷凍サイクルとして構成されている。図 1は、第 1の実施の形態に係る冷凍サイクルを表すシステム構成図である。

[0022] 本実施の形態の冷凍サイクルは、自動車のエンジンによって回転駆動され、冷媒を超臨界域まで圧縮する圧縮機 1と、圧縮機 1から吐出された冷媒を冷却するガスクーラ 2 (「放熱器」に該当する）と、導入された冷媒の気液分離を行うとともに圧縮機 1へ導出する冷媒の圧力を高める圧縮補助装置 3と、圧縮補助装置 3により減圧された液冷媒を蒸発させて車室内を冷却する蒸発器 4とを備えている。

[0023] 圧縮機 1は、エンジンの回転数に関係なぐ冷媒の吐出容量を一定に制御することができる斜板式の可変容量圧縮機である。圧縮機 1は、電子制御が可能なソレノイド駆動の容量制御弁 5が内蔵されており、その容量制御弁 5によって吐出容量制御をするようにしている。この容量制御弁 5は、圧縮機 1の吐出圧力 Pdと吸入圧力 Psとの差圧をソレノイドに供給される外部信号によって決まる所定の差圧に維持するよう〖こ容量制御する、いわゆる差圧制御式の制御弁である。容量制御弁 5は、圧縮機 1の吐出圧力 Pdと吸入圧力 Psとを受けて、圧縮機 1から吐出された吐出圧力 Pdの冷媒を圧縮機 1のクランク室に供給する流量を制御する。それによつて、クランク室の圧力 Pcを吐出容量に対応した圧力に制御することで、冷媒の吐出容量を一定に制御するようにしている。この容量制御弁 5としては、例えば特開 2001— 132650号公報に記載の電磁制御弁を利用することができる。

[0024] 圧縮補助装置 3は、導入された冷媒を気液分離して溜めておくアキュムレータ 6〖こ対し、ガスクーラ 2から導入される冷媒の流量を調整する流量制御弁 7と、液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置 8を一体に組み付けて構成されて、る。アキュムレータ 6の中には、導入された冷媒を圧縮してその圧力を高めるタービン 'ポンプ 9が配置されている。 [0025] 次に、圧縮補助装置の構成について詳細に説明する。図 2は、圧縮補助装置の構成を表す断面図である。

圧縮補助装置 3を構成するアキュムレータ 6は、気相部 11と液相部 12を上下に有し、冷媒を気液分離した状態で収容するタンク 13と、タンク 13を内外に貫通して気相部 11のガス冷媒を圧縮機 1へ導く冷媒配管 14とから構成されている。冷媒配管 14 は、その一端が気相部 11に開口する一方、他端側が圧縮機 1側につながつている。この冷媒配管 14の液相部 12を通る管壁には、液相部 12の液冷媒を管内に所定量導出して気相部 11力も導出されるガス冷媒と混合させる連通孔 15 (「絞り流路」に該当する）が設けられている。このように液相部 12の液冷媒を導出することにより、その液相部 12に混入した潤滑オイルを圧縮機 1側に戻し、圧縮機 1内の潤滑を保持するようにしている。

[0026] タービン ·ポンプ 9は、タンク 13内の気相部 11の上部に固定されている。タービン' ポンプ 9は、ガスクーラ 2から導入された冷媒により回転されるタービン 21と、タービン 21とともに回転して蒸発器 4力も導入された冷媒を圧縮するロータリ式のポンプ 22と力構成されている。タービン 21とポンプ 22は、共通のボディ 23及び回転軸 24を有する。タービン 21の内部は、流量制御弁 7を介してガスクーラ 2につながり、導入される冷媒の流量が流量制御弁 7により調整される。一方、ポンプ 22の内部は、配管形成部材 25を介して蒸発器 4につながっている。この配管形成部材 25の一端は、タンク 13の側壁を貫通し、蒸発器 4につながる図示しない配管に接続される。なお、タービン'ポンプ 9の詳細な構成及び動作については後述する。

[0027] 流量制御弁 7は、タンク 13の上部に固定されている。流量制御弁 7は、タンク 13の側壁を貫通する配管からなるボディ 31と、ボディ 31の内部に収容されてその冷媒通路を開閉する弁部 32と、ボディ 31に組み付けられて弁部 32を駆動するソレノイド 33 とカゝら構成されている。流量制御弁 7は、弁座形成部材 34を介してタービン 21に接続されている。なお、流量制御弁 7の詳細な構成及び動作については後述する。

[0028] 膨張装置 8は、タンク 13の内外を上下に貫通する長尺状のボディ 41と、液相部 12 から蒸発器 4へ供給される液冷媒の流量を制御する弁部 42と、配管形成部材 25内に配置されて、ポンプ 22に入る冷媒の温度に応じて弁部 42を開弁方向に付勢する荷重が変化する感温ァクチユエータ 43と、弁部 42の低圧側に配置されて、弁部 42 を通過した液冷媒の温度に応じて弁部 42を閉弁方向に付勢する荷重が変化する感温ァクチユエータ 44とを備えている。なお、膨張装置 8の詳細な構成及び動作については後述する。

[0029] 図 3は、タービン 'ポンプの構成を表す断面図である。図 4は、図 3の A— A矢視断面図である。図 5は、図 3の B— B矢視断面図である。

図 3に示すように、タービン 'ポンプ 9は、 PPS (Polyphenylene Sulfide)等の樹脂からなる円筒状のボディ 23を有する。このボディ 23は、その内径が軸線方向に 2段に形成されており、その小径部側がタービン 21の圧力室 26を構成し、大径部側がポンプ 22の圧力室 27を構成して、る。

[0030] タービン 21側の圧力室 26には、その内周面に沿ってステンレスからなる円筒状のスリーブ 51が内嵌されている。また、ボディ 23の圧力室 26の開口端部には座ダリが形成されており、ステンレス力もなる円板状の軸受部材 52が、その座ダリに係止されつつ圧力室 26を封止するような態様で圧入されている。軸受部材 52の偏心位置には、ボス状の軸受部 53が外方に突出するように設けられている。

[0031] 一方、ポンプ 22側の圧力室 27には、その内周面に沿ってステンレスからなる円筒状のスリーブ 54が内嵌されている。また、ボディ 23の圧力室 27の開口端部には座グリが形成されており、ステンレス力もなる円板状の軸受部材 55が、その座ダリに係止されつつ圧力室 27を封止するような態様で圧入されている。軸受部材 55の上記軸受部 53と対向する偏心位置には、ボス状の軸受部 56が外方に突出するように設けられている。

[0032] 回転軸 24は、一端が軸受部 53に、他端が軸受部 56に回転可能に支持されている。そして、そのほぼ中央を境に、タービン 21のロータ 57とポンプ 22のロータ 58がそれぞれ嵌着されている。ロータ 57には、タービン 21の翼を構成する 3つのべーン 59 が等間隔で周設されており、ロータ 58には、ポンプ 22の翼を構成する 3つのべーン 6 0が等間隔で周設されている。ボディ 23の軸線方向中央には、タービン 21とポンプ 2 2とを仕切るステンレスカゝらなる仕切板 61が配設されている。回転軸 24は、この仕切板 61に設けられた円孔 62を貫通して、る。 [0033] また、回転軸 24には、その軸線方向に冷媒導出路 63が貫通して形成されており、その軸線方向中央の円孔 62に対応する位置には、冷媒導出路 63に連通して半径方向に貫通する冷媒漏洩路 64が形成されている。一方、軸受部 53及び 56の冷媒導出路 63に対向する位置には、冷媒導出口 65, 66がそれぞれ形成されている。このため、仮にタービン 21の圧力室 26内の冷媒がロータ 57と仕切板 61との隙間に漏れたとしても、その冷媒は、冷媒漏洩路 64,冷媒導出路 63,及び冷媒導出口 65, 6 6を介してタービン 'ポンプ 9の外部、つまりアキュムレータ 6内の気相部 11に導出される。このため、その冷媒が低圧のポンプ 22内に侵入して誤作動を引き起こすのを防止することができる。

[0034] 図 4に示すように、タービン 21は、圧力室 26からボディ 23を半径方向に貫く冷媒導入路 71を有している。この冷媒導入路 71は、他方で弁座形成部材 34を介して流量制御弁 7に接続されている（図 2参照)。スリーブ 51は、帯状のステンレス板を円形に弾性変形させて構成されており、その両端部に設けられたフック部 72が、冷媒導入路 71の基端部に引っ掛けられて固定されている。したがって、スリーブ 51は、その弹性復帰力によって圧力室 26の内壁面に当接するように配置されて、る。

[0035] 回転軸 24は、圧力室 26の軸線に対して偏心した位置にあり、ロータ 57の周囲 3箇所には、ベーン 59の回動軸 73が設けられている。ベーン 59は、回動軸 73からその回転方向と逆向きに湾曲して延びるように構成されている。ベーン 59と回動軸 73との間には、ベーン 59をロータ 57から離間させる方向に付勢するねじりばねが設けられている。このため、ベーン 59の外周面がスリーブ 51に対して所定の圧力で当接するようになり、隣接するべーン 59とスリーブ 51とによって所定の圧力空間が形成されるようになっている。回転軸 24が偏心しているため、この圧力空間の大きさは回転とともに変ィ匕することになる。

[0036] また、軸受部材 52の圧力室 26内に対向する位置には、三日月状の導出孔 74が形成されており、冷媒導入路 71から導入された冷媒を外部、つまりアキュムレータ 6の気相部 11に導出できるようになって、る。

[0037] 図 5に示すように、ポンプ 22は、圧力室 27からボディ 23を半径方向に貫く冷媒導出路 81を有している。この冷媒導出路 81は、他方で外部、つまりアキュムレータ 6の気相部 11に連通している（図 2参照)。この冷媒導出路 81の外側の開口端部近傍には、板ばね力もなる逆止弁 82が片持ち状態で設けられている。このため、冷媒が逆流して冷媒導出路 81からポンプ 22内に侵入するのが防止されるとともに、ポンプ 22 の冷媒導出路 81近傍の圧力が所定以上になると逆止弁 82が開弁して冷媒を導出できるようになつている。圧力室 27は、タービン 21の圧力室 26の 3倍程度の容積を有する。

[0038] スリーブ 54は、帯状のステンレス板を円形に弾性変形させて構成されており、その両端部に設けられたフック部 83が、冷媒導出路 81の基端部に引っ掛けられて固定されている。したがって、スリーブ 54は、その弾性復帰力によって圧力室 27の内壁面に当接するように配置されて、る。

[0039] 回転軸 24は、圧力室 27の軸線に対しても偏心した位置にあり、ロータ 58の周囲 3 箇所には、ベーン 60の回動軸 84が設けられている。ベーン 60は、回動軸 84力もその回転方向に湾曲して延びるように構成されて、る。ベーン 60と回動軸 84との間には、ベーン 60をロータ 58から離間させる方向に付勢する図示しな、ねじりばねが設けられている。このため、ベーン 60の外周面がスリーブ 54に対して所定の圧力で当接するようになり、隣接するべーン 60とスリーブ 54とによって所定の圧力空間が形成されるようになつている。回転軸 24が偏心しているため、この圧力空間の大きさは回転とともに変ィ匕することになる。

[0040] また、軸受部材 55の圧力室 27内に対向する位置には、三日月状の導入孔 85が形成されている。この導入孔 85は、配管形成部材 25の内部に連通しており、蒸発器 4 力も導出された冷媒をポンプ 22内に導入できるようになって、る。

[0041] 次に、タービン ·ポンプの動作について説明する。図 6は、タービンの動作を表す断面図である。（A)〜（D)は、タービンのロータが図の反時計回りに順次 30度ずつ回転した状態を表すものである。図 7は、ポンプの動作を表す断面図である。（A)〜（D )は、ポンプのロータが図の時計回りに順次 30度ずつ回転した状態を表すものであり、図 6 (A)〜 (D)にそれぞれ対応する。

[0042] 図 6 (A)及び (B)に示すように、ガスクーラ 2側力も冷媒導入路 71を介してタービン 21に導入された高圧の冷媒は、隣接するべーン 59間に形成される圧力空間 S1に導入される。このとき、他の圧力空間 S2, S3の圧力は、導出孔 74から冷媒が導出されたことによって減圧されている。このため、回転方向前方のベーン 59に前後差圧が生じてロータ 57の回転力が発生する。この回転力が回転軸 24を介してポンプ 22 のロータ 58に伝達され、ポンプ 22が回転駆動される。

[0043] そして、同図（C)に示すように、さらにロータ 57が回転して圧力空間 S1が密閉状態となった後、同図（D)に示すように、圧力空間 S1が導出孔 74に連通して、内部の冷媒を気相部 11に放出する。

[0044] 一方、図 7 (A)に示すように、ポンプ 22の回転に伴う負圧により吸引され、蒸発器 4 側から導入孔 85を介してポンプ 22に導入された低圧の冷媒は、隣接するべーン 60 間に形成される圧力空間 S 11に導入される。そして、同図（B)に示すように、圧力空間 S11が密閉状態となった状態でさらにロータ 58が回転すると、圧力空間 S11が徐々に小さくなるため、内部の冷媒が圧縮されてその圧力が高められる。一方、他の圧力空間 S12, S13は徐々に大きくなるため、負圧状態となり、蒸発器 4からの冷媒を導入孔 85を介して内部に吸引することになる。

[0045] 圧力空間 S11内の圧力が所定以上になると、同図（C)及び (D)に示すように逆止弁 82が開弁するため、圧力が高められた冷媒が気相部 11に放出される。この冷媒は、気相部 11にある飽和状態の冷媒とともに冷媒配管 14を通って圧縮機 1に向けて送出される（図 2参照)。

[0046] 次に、流量制御弁 7の構成及び動作について詳細に説明する。図 8は、流量制御弁 7の構成を表す断面図である。

流量制御弁 7は、オン'オフタイプの電磁弁として構成されており、配管を兼ねる円筒状のボディ 31と、ボディ 31の内部に配置された弁体 91と、弁体 91を駆動制御するソレノイド 33とを備えている。弁体 91と上述した弁座形成部材 34とにより弁部 32が構成される。

[0047] 弁座形成部材 34は、円板状の本体の中央に弁孔 92を有し、その弁孔 92のボディ 31側の開口縁にボス状に突出した弁座 93が設けられている。ボディ 31は、その一端が弁座形成部材 34に当接した状態で接続されている。

[0048] ソレノイド 33は、弁体 91に一体的に形成されたプランジャ 94と、プランジャ 94の上流側に同軸状に配置されてボディ 31に固定されたコア 95と、外部からの供給電流によりプランジャ 94及びコア 95を含む磁気回路を生成する電磁コイル 96と、この電磁コイル 96を覆うように配置され、ソレノイド 33のケースを構成する円筒状のヨーク 97とを備えている。

[0049] 弁体 91、プランジャ 94及びコア 95には、ガスクーラ 2側力も流れてきた冷媒を下流側へ導くための冷媒通路が貫通して設けられている。弁体 91は、その先端に弁座 9 3に着座して弁孔 92を閉塞可能な平面部 98を有し、また、その先端近傍の側部には、冷媒を導出する開口部 99が形成されている。プランジャ 94とコア 95との間には、プランジャを閉弁方向に付勢するスプリング 100が介装されて、る。

[0050] 以上の構成において、プランジャ 94,コア 95,ヨーク 97,ボディ 31等によって電磁コイル 96を取り囲むソレノイド 33の磁気回路が構成されている。そして、図示しない制御装置によって電磁コイル 96への通電制御が行われる。

[0051] すなわち、電磁コイル 96が非通電であり、ソレノイド 33が駆動していないときには、スプリング 100の付勢力により弁体 91が弁座 93に着座する。このため、弁部 32は閉弁状態となる。一方、電磁コイル 96に通電されて、ソレノイド 33が駆動したときには、プランジャ 94がコア 95側に吸引され、弁体 91が弁座 93からリフトして弁部 32が開弁状態となる。ここでは、その通電制御をオン'オフによるデューティ制御により行っている。このため、そのデューティ比を変化させることにより、ガスクーラ 2からタービン 21 へ導入される冷媒の流量が調整される。

[0052] 次に、膨張装置 8の構成及び動作について詳細に説明する。図 9は、膨張装置 8の構成を表す断面図である。

膨張装置 8は、その長尺円筒状のボディ 41を備える。このボディ 41の下端近傍の側部には、アキュムレータ 6の液相部 12の冷媒を導入する冷媒入口 101が設けられ、その冷媒入口 101に連通して弁孔 102が軸線方向に設けられている。弁孔 102の下流側には、これを開閉する弁体 103が軸線方向に進退自在に配置されている。これら弁孔 102と弁体 103が弁部 42を構成して、る。

[0053] 弁体 103は、弁孔 102を貫通して軸線方向に延出されたシャフト 104がー体に形成されている。シャフト 104は、弁孔 102の内径よりも小さい外径を有し、冷媒入口 10 1に液冷媒が導入されたときに、弁体 103が受ける開弁方向の力をシャフト 104が受ける閉弁方向の力よりも大きくなるようにして、る。

[0054] シャフト 104の先端近傍にはばね受け部材 105が嵌合され、ボディ 41の上部に形成された拡径部の開口端には、ばね受け部材 106が圧入されている。これらばね受け部材 105, 106の間には、コイル状の形状記憶合金ばね 107とバイアス用のスプリング 108とが並列に介挿されている。

[0055] 形状記憶合金ばね 107は、温度サイクルに対して可逆的に変化する二方向性の形状記憶効果を有し、変態点より低い温度では、ばね荷重が小さぐ変態点より高い温度になると、ばね荷重が温度変化に比例して大きくなる特性を有している。したがつて、形状記憶合金ばね 107は、蒸発器 4を出てポンプ 22に入る冷媒の温度に応じて弁体 103を開弁方向に付勢する荷重が変化する感温ァクチユエータとして機能している。

[0056] また、バイアス用のスプリング 108は、形状記憶合金ばね 107のばね特性を調整し、さらには、この膨張装置 8の弁特性を調整するためのものであり、ばね受け部材 10 6をボディ 41の開口端に圧入する圧入量を変えることにより微調整できる。

[0057] ボディ 41の下部に形成された拡径部の開口端には、ばね受け部材 109が圧入されている。そのばね受け部材 109と弁体 103との間には、コイル状の形状記憶合金ばね 110が介挿され、弁体 103と弁孔 102の周囲部分との間には、コイル状のバイァス用のスプリング 111が介挿されて \、る。

[0058] 形状記憶合金ばね 110は、弁部にて絞り膨張された冷媒の温度に応じて弁体 103 を閉弁方向に付勢する荷重が変化する感温ァクチユエータとして機能している。また、バイアス用のスプリング 111は、形状記憶合金ばね 110のばね特性、さらには、この膨張装置 8の弁特性を調整するためのものであり、ばね受け部材 109をボディ 41の下部開口端に圧入する圧入量を変えることにより微調整できる。なお、このボディ 41の下部開口端は、蒸発器 4につながる配管 120の端部に内挿された状態でタンク 13に固定されている。

[0059] 以上の構成の膨張装置 8にお、て、蒸発器 4からポンプ 22へ吸入される冷媒の温度が形状記憶合金ばね 107の変態点以上の所定の温度範囲内にあるとき、形状記憶合金ばね 107は、マルテンサイト相からオーステナイト相（母相）に相変態していて、冷媒の温度変化に対してばね荷重がほぼ比例的に変化する。

[0060] 同様に、膨張装置 8の低圧側の冷媒の温度を感知する形状記憶合金ばね 110においても、弁部によって絞り膨張された冷媒の温度が形状記憶合金ばね 110の変態点以上の所定の温度範囲内にあるとき、冷媒の温度変化に対してばね荷重がほぼ比例的に変化する。

[0061] したがって、この膨張装置 8では、弁体 103とシャフト 104の有効径の違いから冷媒の圧力により開弁する差圧の設定荷重は、形状記憶合金ばね 107が感知した温度と形状記憶合金ばね 110が感知した温度との温度差によって制御されることになる。なお、形状記憶合金ばね 107, 110は、それらの所定の温度範囲を超えた高い温度になると、それらのばね荷重の増加率が急激に低下して飽和状態になり、それ以上温度が上昇してもばね荷重は増加しなくなる。また、形状記憶合金ばね 107, 110は、二方向性の形状記憶効果を有して、るので、冷媒の温度が低下してそれらの変態点を下回ると相変態してばね荷重の小さい状態になる。

[0062] 次に、本実施の形態の冷凍サイクルの動作及び効果について説明する。図 10は、冷凍サイクルの特性を表すモリエル線図である。同図において、横軸はェンタルピ、縦軸は圧力を表しており、図 1の冷凍サイクルの回路上に符号 a〜iで示した位置の冷媒の状態を同じ符号 a〜iで示して、る。

[0063] まず、自動車用空調装置が起動して圧縮機 1がエンジンによって回転駆動されると、圧縮機 1は、圧縮補助装置 3のアキュムレータ 6からガス冷媒を吸引して圧縮し、ガスクーラ 2へ吐出する（i→a)。このとき、圧縮機 1は、容量制御弁 5によって吐出圧力 Pdと吸入圧力 Psとの差圧 (Pd— Ps)が図示しない制御装置力もの制御信号により定められる所定の差圧になるように容量制御される。ガス冷媒は、ガスクーラ 2にて冷却される（a→b；)。

[0064] ガスクーラ 2から導出された冷媒は、流量制御弁 7によって流量が調整されてアキュムレータ 6内のタービン 21に導入される（b→c)。なお、流量制御弁 7がいわゆるオン 'オフ弁であるため、そこでの圧力損失はほとんどない。これによつてタービン 'ポンプ 9が駆動し、ポンプ 22が回転して冷媒の圧縮動作を行う。タービン 21に導入された冷媒は、タービン 21の膨張行程で減圧されてアキュムレータ 6の気相部 11に放出される（c→d)。

[0065] アキュムレータ 6では気液分離が行われており（d→e)、その液相部 12に溜まった液冷媒が、膨張装置 8にて絞り膨張されて減圧され、蒸発器 4へ送出される (e→f)。蒸発器 4を通過する液冷媒は、車室内に吹き出す空気と熱交換され、空気からの吸熱によって蒸発される (f→g)。

[0066] 蒸発器 4を通過した冷媒は、ポンプ 22によって吸引され、その圧縮行程で圧縮されて圧力が高められる (g→h)。このように圧力が高められて過熱蒸気となった冷媒が、気相部 11に放出されて飽和蒸気とともに冷媒配管 14に導入され、連通孔 15から導出された液冷媒と混合されて圧縮機 1に送出される (h→i)。

[0067] 以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクルによれば、アキュムレータ 6において、ガスクーラ 2から送出された冷媒によりタービン 21を回転させてポンプ 22を回転させる駆動力を発生させ、蒸発器 4カゝら導入された冷媒をそのポンプ 22によつて圧縮する。このため、ポンプ 22の回転によって圧縮機 1に向けて送出する冷媒の圧力、つまり圧縮機 1の吸入圧力を高めることができる。その結果、圧縮機 1の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。

[0068] また、このような冷凍サイクルにおいて通常用いられるアキュムレータ 6内にタービン •ポンプ 9が配置されるため、冷媒の外部漏れを防止するための特別なシールを施す必要がなぐ低コストに実現することができる。

[0069] さらに、圧縮補助装置 3をアキュムレータ 6に流量制御弁 7及び膨張装置 8を一体化して構成したため、システムへの設置が非常に簡素化されるという利点がある。

[第 2の実施の形態]

次に、本発明の第 2の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る冷凍サイタルは、圧縮補助装置の構成が異なる以外は第 1の実施の形態の構成と同様であるため、第 1の実施の形態の構成とほぼ同様の構成部分については同一の符号を付す等して適宜その説明を省略する。図 11は、第 2の実施の形態に係る圧縮補助装置の構成を表す断面図である。

[0070] 本実施の形態の圧縮補助装置 203は、アキュムレータ 206の液相部 12にタービン •ポンプ 209を配置している。冷媒配管 14は、このタービン 'ポンプ 209に並設されるようにタンク 213の底部を上下に貫通し、その開口端部を気相部 11の上方に位置させている。

[0071] タービン 'ポンプ 209は、第 1の実施の形態のタービン 'ポンプ 9とほぼ同様の構成を有するが、ポンプ 22につながる冷媒導出路 81が、ボディ 223から延出し、液相部 1 2にある冷媒配管 14の管壁部分に直接連結されている。このため、ポンプ 22で圧縮されて過熱蒸気となった冷媒が、冷媒配管 14内の混合冷媒を温めやすくなる。

[0072] その結果、図 10に示すように、 i点及び a点を高温側、つまりェンタルビが高くなる側にシフトさせることができる。これによつて、冷凍サイクルの成績係数を向上させることができる。

[0073] また、図 11に示すように、タービン 'ポンプ 209をアキュムレータ 206の下部に配置したため、膨張装置 208の上側の感温ァクチユエータ 43の位置が低くなる。このため、膨張装置 208のボディ 241の軸線方向の長さが小さく構成される。

[0074] 以上に説明したように、本実施の形態の冷凍サイクルにおいても、タービン 'ポンプ 209をアキュムレータ 206内に配置し、ガスクーラ 2から送出された冷媒によりタービン 21を回転させてポンプ 22を回転させる駆動力を発生させ、蒸発器 4から導入された冷媒をそのポンプ 22によって圧縮する。このため、圧縮機 1の吸入圧力を高めることができ、圧縮機 1の動力を低減して省エネルギー化を図ることができる。また、タービン'ポンプ 209に特別なシールを施す必要がなぐ低コストに実現することができる

[0075] また、タービン ·ポンプ 209をアキュムレータ 206の液相部 12に配置したため、その液相部 12に溶けた潤滑油を、タービン 21やポンプ 22の潤滑に用いることができる。このため、タービン 'ポンプ 209の動作性が良ぐメンテナンス間隔を長くすることができる。

[0076] また、ポンプ 22の冷媒導出路 281を冷媒配管 14の管壁に直接連結し、ポンプ 22 で圧縮されて過熱蒸気となった冷媒が、ほぼ 100%冷媒配管 14に導入されるようにした。このため、第 1の実施の形態の場合よりも冷媒配管 14を流れる冷媒の温度を高めて冷凍サイクルの成績係数を向上させることができ、その結果、システムの効率を高めることができる。

[0077] さらに、膨張装置 208のボディ 241を小さくできるため、その分のコストを低減することがでさる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明した力本発明はその特定の実施の形態に限定されるものではなぐ本発明の精神の範囲内での変化変形が可能であることはいうまでもない。

[0078] 例えば、上記各実施の形態では、タービン 'ポンプを構成するポンプとしてロータリ式のものを採用した力スクロール式のものでもよいし、ピストンに往復動作をさせて圧縮する斜板式のものでもよ、。

[0079] また、各実施の形態では、流量制御弁 7を、ソレノイド 33のデューティ制御によるォン 'オフ弁として構成した力ソレノイド 33に供給する電流値にほぼ比例した弁開度が得られる比例弁等として構成してもよい。あるいは、流量制御弁 7を、例えばステツビングモータにより弁部が開閉制御されるように構成してもよいし、ばね等を含む内部の機械的構成と冷媒圧力により弁体が駆動される、わゆる機械式の制御弁として構成してちょい。

[0080] また、各実施の形態では、本発明の冷凍サイクルを、二酸化炭素を冷媒とし、圧縮機 1にて圧縮された後の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルとして構成した例を示したが、二酸ィ匕炭素以外の冷媒を用いて超臨界冷凍サイクルとしてもよい。また、超臨界冷凍サイクルではなぐフロン等を冷媒とし、圧縮機 1にて圧縮された後の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力よりも小さくなる冷凍サイクルとして構成することも可能である。その場合には、放熱器として凝縮器が用いられる。

[0081] 上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなぐ対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

符号の説明

[0082] 1 圧縮機

2 ガスクーラ , 203 圧縮補助装置蒸発器

容量制御弁

, 206 アキュムレータ流量制御弁

, 208 膨張装置

, 209 タービン 'ポンプ1 気相部

2 液相部

4 冷媒配管

5 連通孔

1 タービン

2 ポンプ

3, 44 感温ァクチユエータ7, 58 ロータ

9, 60 ベーン

1 冷媒導入路

導出孔

1 冷媒導出路

2 逆止弁

5 導入孔

Claims

請求の範囲

[1] 空調装置を構成する冷凍サイクルにお、て、

冷媒を圧縮する圧縮機と、

前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、

導入された冷媒を気液分離して溜めておき、そのガス冷媒を前記圧縮機に向けて送出するアキュムレータと、

前記アキュムレータに溜められた液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器と、

前記アキュムレータの中に配置され、前記放熱器から導入された冷媒により回転されてその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するタービンと、前記タービンとともに回転して前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮してその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するポンプとを有するタービン ·ポンプと、

を備えたことを特徴とする冷凍サイクル。

[2] 前記タービン 'ポンプが、前記アキュムレータの気相部に配置されたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

[3] 前記タービン 'ポンプが、前記アキュムレータの液相部に配置されたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

[4] 前記放熱器と前記タービンとの間に、前記タービンに導入される冷媒の流量を調整するための流量制御弁が設けられたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

[5] 前記膨張装置が、前記アキュムレータに一体に設けられたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

[6] 一端が前記アキュムレータの気相部に開口する一方、他端側が前記圧縮機側につながり、前記アキュムレータの液相部を通る管壁の一部に、前記液相部の液冷媒を所定量導出して前記気相部から前記圧縮機に向けて送出されるガス冷媒に混合させるための絞り流路が設けられた冷媒配管を備え、

前記ポンプ力導出されるガス冷媒の排出路が、前記冷媒配管に直接連結されていることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

[7] 前記ポンプ力導出されるガス冷媒の導出路が、前記冷媒配管の前記アキュムレ一タの液相部にある部分の管壁に直接連結されていることを特徴とする請求の範囲第 6項記載の冷凍サイクル。

[8] 前記流量制御弁は、

前記放熱器と前記タービンとをつなぐ冷媒通路を開閉する弁部と、

前記弁部を開閉駆動するソレノイドと、

前記ソレノイドへ供給する電流のデューティ制御により、前記弁部を開閉制御する制御手段と、

を備えたことを特徴とする請求の範囲第 4項記載の冷凍サイクル。

[9] 前記膨張装置は、

前記アキュムレータの液相部側に配置されて、前記アキュムレータを出て前記蒸発器へ供給される液冷媒の流量を制御する弁部と、

前記蒸発器を出て前記ポンプに入る冷媒の温度に応じて前記弁部を開弁方向に付勢する荷重が変化する第 1の感温ァクチユエータと、

前記弁部の低圧側に配置され、前記弁部にて絞り膨張された前記液冷媒の温度に応じて前記弁部を閉弁方向に付勢する荷重が変化する第 2の感温ァクチユエータと、

を備えたことを特徴とする請求の範囲第 5項記載の冷凍サイクル。

[10] 前記第 1の感温ァクチユエータ及び前記第 2の感温ァクチユエータは、それぞれ所定の温度範囲にて荷重が変化する二方向性の形状記憶効果を持った形状記憶合金ばねであることを特徴とする請求の範囲第 9項記載の冷凍サイクル。

[11] 前記タービン 'ポンプが、前記アキュムレータの液相部に配置されたことを特徴とする請求の範囲第 9項記載の冷凍サイクル。

[12] 前記ポンプが、ロータリ式のものであり、その回転方向に前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮するように構成されたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイタル。

[13] 前記圧縮機により圧縮された後の冷媒圧力が、前記冷媒の臨界圧力以上となることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の冷凍サイクル。

[14] 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を冷却する放熱器と、導入された冷媒を気液分離して溜めておき、そのガス冷媒を前記圧縮機に向けて送出するアキュムレータと、前記アキュムレータに溜められた液冷媒を絞り膨張して減圧する膨張装置と、前記膨張装置にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えた冷凍サイクルに用いられる圧縮補助装置であって、

前記アキュムレータと前記膨張装置とを一体に組み付けて構成され、

前記アキュムレータの内部に、前記放熱器から導入された冷媒により回転されてその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するタービンと、前記タービンとともに回転して前記蒸発器から導入された冷媒を圧縮してその冷媒を前記アキュムレータ内に放出するポンプとを有するタービン ·ポンプが設けられたこと、

を特徴とする圧縮補助装置。

[15] 前記アキュムレータに、さらに前記放熱器から導入される冷媒の流量を調整するための流量制御弁が一体に設けられたことを特徴とする請求の範囲第 14項記載の圧縮補助装置。

[16] 前記タービン 'ポンプが、前記アキュムレータの液相部に配置されたことを特徴とする請求の範囲第 14項記載の圧縮補助装置。

[17] 一端が前記アキュムレータの気相部に開口する一方、他端側が前記圧縮機側につながり、前記アキュムレータの液相部を通る管壁の一部に、前記液相部の液冷媒を所定量導出して前記気相部から前記圧縮機に向けて送出されるガス冷媒に混合させるための絞り流路が設けられた冷媒配管を備え、

前記ポンプ力導出されるガス冷媒の導出路が、前記冷媒配管の前記アキュムレ一タの液相部にある部分の管壁に直接連結されていることを特徴とする請求の範囲第 16項記載の圧縮補助装置。